连接器金属件电镀第六章辅导讲义.docx

连接器金属件电镀第六章辅导讲义.docx

《连接器金属件电镀第六章辅导讲义.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《连接器金属件电镀第六章辅导讲义.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

连接器金属件电镀第六章辅导讲义

第六章連接器金屬件電鍍

連接器最基本的性能是良好的電接觸以及電接觸的穩定性,其一般以銅合金為材料,并加以表面處理,賦予連接器耐環境腐蝕性、耐磨擦性、可焊性、美麗外觀等,常用的表面處理方式為電鍍。

本章將重點介紹連接器之電鍍工藝,以及在工程設計段應考量之問題點。

6.1電鍍基本原理

6.1.1電鍍原理

1.電鍍過程

電鍍是一種電化學過程,也是一種氧化還原過程。

電鍍時,將金屬零件作為陰極,所鍍金屬或合金作為陽極,分別浸入含有鍍層成分的電解液中,并通入直流電,金屬零件上即會沉積出所需金屬鍍層。

+

陰極零件

鎳陽極

⊕Ni2+Na+H+

鍍槽

○SO42-Cl-OH-

圖6-01電鍍原理圖

鍍槽通電后,電子從電源負極→匯流排→陰極零件→鍍液→鎳陽極→匯流排→電源正極完成導電過程,即電鍍過程。

在此過程中,發生如下電化學反應:

陰極零件表面:

Ni2++2e-→Ni（主反應）

2H++2e-→H2↑（副反應）

鍍液中:

正離子→移向陰極零件

負離子→移向陽極鎳板

鎳陽極表面:

Ni-2e→Ni2+（主反應）

H2O-2e→1/2O2↑+2H+（副反應）

2.基本概念

2.1電極:

和電解質溶液相接觸的第一類導体。

2.2陽極:

電鍍過程中,失去電子發生氧化反應的電極為陽極。

陽極有可溶性陽極和不溶性陽極之區分。

可溶性陽極材料為鍍層金屬塊（粒）,一般要求純度≧99.9%,在電鍍過程中陽極溶解成金屬離子補充到鍍液中;不溶性陽極材料一般為鉑、鈦、鈮、石墨等,其僅起導電作用,溶液中金屬離子濃度之維持靠補充金屬鹽類調整。

（附表6-01電鍍常用陽材料的化學成份）

2.3陰極:

電鍍過程中,得到電子發生還原反應的電極,待鍍件均作為陰極。

2.4電極電位:

任何金屬在含有電解質的溶液中都有各自的電極電位。

關于電極電位產生之机理,我們以鋅板浸入硫酸鋅溶液中為例說明。

Zn板

ZnSO4溶液

離子原子電子

⊕◎●

⊕◎●

⊕◎●

ZnSO4溶液

+--+--

+--+--

+---++--

+--+--

+--+--

圖6-02鍍鋅電極電位圖

鋅金屬由整齊排列的Zn2+、繞離子旋轉的電子和鋅原子組成,硫酸鋅溶液中有SO42-、Zn2+、H2O分子。

水分子為極性分子,吸引鋅板上的Zn2+,使得Zn2+進入溶液中,而電子留在鋅板上:

Zn2+.2e+nH2OZn2+.nH2O+2e

當然,溶液中Zn2+也可以受到Zn板上電子的吸引而獲得電子變成原子。

這樣在金屬和溶液界面處形成雙電層,產生電位差,即電極電位。

2.4.1平衡電極電位

金屬失去電子成為離子的溶解速度和溶液中金屬離子獲得電子成為原子的速度相等時,所形成的電位,即為平衡電極電位。

2.4.2標准電極電位

溫度25℃,大氣壓力100KPa,溶液中金屬離子濃度為1摩爾/升時的電極電位即為標准電極電位。

2.4.3析出電極電位

電鍍過程中,金屬離子在零件上（陰極）開始析出時的電極電位。

2.5電流密度

電鍍過程中,單位面積的電極上所通過的電流之大小。

2.6電流效率

電鍍過程中,對電流的利用率。

其計算可通過下述公式求得:

陰極上實際析出（溶解）金屬量

η=×100%

理論析出（溶解）金屬量

其中“理論析出（溶解）金屬量”依法拉第電解定律計算得到。

見表6-02常見電解液的陰極電流效率）。

表6-02常見電解溶液的陰極電流效率

電鍍溶液名稱

電流效率（%）

電鍍溶液名稱

電流效率（%）

普通鍍鉻

13

銨鹽鍍鎘

90～98

複合鍍鉻

18～25

氟硼酸鹽鍍鎘

100

自動調節鍍鉻

18～20

氰化鍍鎘

90～95

快速鍍鉻

18～20

氯化物鍍鐵

90～95

鍍鎳

95～98

硫酸鹽鍍鐵

95～98

硫酸鹽鍍錫

90

氟硼酸鹽鍍鉛

95

鹼性鍍錫

60～75

氰化鍍銀

95～100

硫酸鹽鍍鋅

95～100

氰化鍍金

60～80

銨鹽鍍鋅

94～98

鍍鉑

30～50

鋅酸鹽鍍鋅

70～85

鍍鈀

90～95

氰化鍍鋅

60～85

鍍銠

40～60

硫酸鍍銅

95～100

鍍錸

10～15

焦磷酸鹽鍍銅

95～100

硫酸鹽鍍銦

50～80

酒石酸鹽鍍銅

75

氯化物鍍銦

70～95

氟硼酸鹽鍍銅

95～100

氟硼酸鍍銦

80～90

氰化鍍銅

70

鍍鉍

100

硫酸鹽鍍鎘

98

氰化鍍低錫青銅

60～70

氰化鍍黃銅

60～70

氰化鍍高錫青銅

60

鍍鉛錫合金

100

鍍錫鎳合金

100

鍍錫鋅合金

80～100

鍍鎘鎳合金

70

2.7分散能力

又稱為均鍍能力,是指電鍍液所具有的使鍍件表面鍍層厚度均勻分布的能力。

2.8深鍍能力

又稱為覆蓋能力,是指電鍍液所具有的使鍍件深凹處沉積金屬鍍層的能力。

其和分散能力為評估鍍液性能好環的兩個重要指標。

3.法拉第電解定律

電流通過電解質溶液時,在電極上析出或溶解的物質的質量與通過的電荷電量成正比,每析出的1克當量物質時,所消耗的電量為96500庫侖或26.8安培∙小時。

其中,

W—析出（溶解）金屬的質量（克）

C—電化學當量

Q—電量（庫侖）

I—電流強度（安培）

T—電解時通電時間（秒or小時）

A—金屬原子量

Z—電解反應中得失電荷數,一般為金屬之化合价數.

F—法拉第常數

當T以秒計,F=96500庫侖

當T以小時計,F=26.8安培.小時

（附表6-03常見鍍層金屬元素的電化當量）

表6-03常見鍍層金屬元素的電化當量

元素

名稱

元素

符號

相對原

子質量

原子价

電化當量

mg/C

C/mg

g/（A.h）

（A.h）/g

銀

Ag

107.88

1

1.118

0.894

4.025

0.249

金

Au

197.2

1

2.0436

0.489

7.357

0.136

3

0.681

1.468

2.452

0.403

鈹

Be

9.013

2

0.0467

21.41

0.168

5.946

鎘

Cd

112.41

2

0.582

1.717

2.097

0.477

鈷

Co

58.94

2

0.306

3.274

1.100

0.901

鉻

Cr

52.01

3

0.180

5.566

0.647

1.546

6

0.0898

11.132

0.324

3.092

銅

Cu

63.54

1

0.658

1.518

2.372

0.422

2

0.329

3.036

1.186

0.843

鐵

Fe

55.85

2

0.289

3.456

1.0416

0.960

3

0.193

5.184

0.694

1.441

銦

In

114.76

3

0.399

2.782

1.429

0.699

鉀

K

39.100

1

0.405

2.468

1.459

0.685

鈉

Na

22.991

1

0.238

4.196

0.858

1.165

鎳

Ni

58.69

2

0.304

3.288

1.095

0.913

鉛

Pb

207.21

2

1.074

0.931

3.865

0.258

鈀

Pd

106.7

2

0.557

1.814

1.99

0.503

鉑

Pt

195.23

2

1.0116

0.989

3.642

0.275

4

0.506

1.977

1.821

0.549

銠

Rh

102.91

3

0.331

3.021

1.28

0.781

銻

Sb

121.76

3

0.421

2.377

1.514

0.660

錫

Sn

118.70

2

0.615

1.626

2.214

0.452

4

0.307

3.252

1.107

0.903

鎢

W

183.92

6

0.318

3.146

1.145

0.874

鋅

Zn

65.38

2

0.339

2.952

1.220

0.820

注:

1.元素的電化當量指通過電量為1C時析出物質的質量。

為了實際使用方便,表中同時列出了由此換算求得出的g/A.h、C/mg、A.h/g值。

這些數值均按電流效率100%計算。

2.由于元素電化當量與該析出物質在溶液中的離子价數有關,因此表中列出了計算這些數值時所根据的价數。

6.2電鍍前處理

表6-04前處理方式

工序

處理方式

表面整平

机械拋光,電解拋光,化學拋光

除油（脫酯）

有机溶劑除油,化學除油,電化學除油,滾桶除油,擦試除油,超聲波除油

酸洗

依鐵件、不鏽鋼、銅件、其它金屬等不同材料采用不同配方

活化

稀酸活化,電解氰活化,MSA活化

電鍍前處理不徹底,易導致鍍后密著性欠佳、露素材、起泡等不良現象。

零件深凹處為前處理之盲點,因凹陷區易藏污納垢,且去除不易,尤對于高速電鍍制程,因前處理時間短,此點影響更為突出。

表6-05除油處理方式之選擇

除油方式

特點

適用范圍

有机溶劑除油

速度快,能溶解兩類油脂,一般不腐蝕零件,但除油不徹底,需用化學或電化學方法進行補充除油,多數溶劑易燃或有毒,成本較高。

用于油污嚴重的零件或易被鹼液腐蝕的金屬零件的初步除油。

化學除油

設備簡單,成本低,但除油時間長。

一般零件的除油

電化學除油

除油快、徹底,并能去除零件表面的浮灰,浸蝕殘渣等机械雜質,但需要直流電源,陰極除油時,零件容易滲氫,去除深孔內的油污較慢。

一般零件的除油或清除浸蝕殘渣。

滾桶除油

工效高,質量好。

精度不太高的小零件。

擦試除油

設備簡單,但勞動強度大,效率低。

大型或其它方法不易處理之零件。

超聲波除油

工效高,但設備投資高。

復雜、細孔、盲孔之零件除油。

6.3鍍Ni

6.3.1Ni鍍層性質和用途

1.性質

1.1Ni是微帶黃光的銀白色金屬,密度8.9g/cm3,熔點1453℃,原子量58.7,通常顯示化合价為+2,電化學當量1.095g/A.H。

1.2Ni是具有磁性。

通常,其表面存在一層鈍化膜,因而具較高之化學穩定性。

1.3Ni的硬度高于金、銀、銅、鋅、錫等金屬。

2.用途

2.1作為低碳鋼、鋅鑄件、鋁合金、銅合金基体之防護鍍層。

2.2光亮鎳可作為裝飾性鍍層。

2.3作為磁性鍍層。

6.3.2鍍Ni工藝

1.分類

瓦特型、氨基磺酸鹽工藝、氯化物工藝、全硫酸鹽工藝、氟硼酸鹽工藝、焦磷酸鹽工藝、黑鎳工藝、其它鍍鎳工藝等共八大類。

連接器之金屬件鍍鎳,常用瓦特型和氨基磺酸鹽鍍鎳工藝。

2.基本工藝參數（僅供參考）

表6-06基本工藝參數

鍍鎳工藝

瓦特型

氨基磺酸鹽

氯化物

氟硼酸鹽`

工藝參數

硫酸鎳（NiSO4.7H2O）

（g/l）

240~330

氨基磺酸鎳（g/l）[Ni（SO3NH2）2.4H2O]

300~450

氟硼酸鎳[Ni（BF4）2]

（g/l）

300~450

氯化鎳（NiCl2.6H2O）

（g/l）

40~50

0~15

250~300

硼酸（H3BO3）

（g/l）

30~45

30~45

25~30

20~40

PH

3.0~4.0

3.5~5.0

2.5~4.0

2.0~3.5

溫度（℃）

45~60

40~60

40~70

40~80

陰極電流密度

（A/dm2）

1~2.5

2~16

3~10

2.5~20

添加劑

依制程實際需求可選用不同添加劑

特點與應用

1.Ni層結晶細致易拋光,

2.耐蝕性好

3.溶液整平能力好

4.廣用型鍍液

1.沉積速度快

2.鍍層低應力

3.一般用于功能性鍍鎳

1.鍍液電導高,省電

2.分散能力好

3.鍍層應力大,硬度高

4.溶液腐蝕性強

5.主要應用于修復磨損零件或電鑄

1.沉積速度快

2.溶液腐蝕性強

3.鍍液成本高

4.一般應用于鍍厚鎳或電鑄

6.3.3鎳鍍層力學性能

鎳鍍層力學性能與鍍鎳工藝關系密切,如下表。

表6-07鎳鍍層力學性能

鍍液類型

抗拉強度（N/mm2）

屈服強度（N/mm2）

延伸率

%

硬度

（HV）

內應力

（N/mm2）

瓦特型鍍鎳液

380~450

220~280

20~30

150~200

140~170

氨基磺酸鍍鎳液

500~800

500

10~20

160~240

7~70

全氯化物鍍鎳液

750~900

650

8~13

200~250

280~340

氟硼酸鹽鍍鎳液

350~550

17~30

170~220

100~170

瓦特型Ni延展性好,結晶細致,鍍液維護簡單,成本低,一般用于連接器五金件之中間鍍層或底層。

氨基磺酸型鎳具低應力延展性好之優點,一般作為連接器之端子打底鍍層。

6.3.4鍍鎳工藝對素材之影響

端子素材中,磷青銅材質較脆,故較需考量鍍Ni工藝對其力學特性之影響。

1.目前我公司氨基磺酸鹽鍍Ni工藝對磷青銅之影響如下表:

表6-08

影響項目

影響度

机械特性

酸洗

添加劑用量

鍍Ni厚度

PH

ASD

CL-

Ni

伸長率

MP-200

○

△

◎

○

○

○

○

SC

○

○

△

○

△

○

◎

抗拉強度

MP-200

○

○

♁

○

○

○

○

SC

○

○

△

○

○

○

○

維氏硬度

MP-200

○

△

♁

○

△

♁

♁

SC

○

○

♁

○

○

○

○

○---無明顯影響△---輕微影響◎----顯著負影響♁----顯著正影響

MP-200和SC為兩種不同添加劑

2.以Ni電鍍規格50~90u”（以保証耐環境腐蝕功能之前提下）及正常電鍍制程控制。

表6-09

影響項目

影響度

鍍Ni系統

伸長率

硬度

抗拉強度

MP-200

-20%

+6.2%

+2.8%

NiKALSC

-7.5%

+4.4%

+1.8%

6.4局部鍍Au

6.4.1Au鍍層性質和用途

1.性質

1.1Au鍍層具美麗的金黃色外觀,密度19.3g/m3熔點1062.7℃,原子量197.2,電化學當量7.357g/A.H。

1.2Au化學穩定性很高,在大氣、鹼液、大部分酸液以及水中都不發生腐蝕,僅溶于王水（濃鹽酸與濃硝酸以3/1体積比之混合酸）。

1.3Au鍍層延展性好,導電性優,易焊接。

2.用途

2.1裝飾性鍍層

2.2防腐性鍍層,廣泛應用于精密儀表、印刷電路板、接插件甚至航太工業等。

6.4.2鍍Au工藝

表6-10鍍Au工藝參數

工藝名稱

鹼性氰化物鍍金

檸檬酸鹽鍍金

亞硫酸鹽鍍金

工藝參數

氰化金鉀KAu（CN）2（g/l）

5~20

25~35

亞硫酸金鉀

KAu（SO3）2（g/l）

16~80

氰化鉀

KCN（g/l）

25~35

碳酸鉀K2CO3（g/l）

15~25

磷酸氫鉀K2HPO4（g/l）

檸檬酸

（C6H6O7）（g/l）

25~35

檸檬酸鉀

（KC6H5O7）（g/l）

15~25

80~120

亞硫酸銨

（NH4）2SO3（g/l）

150~250

PH值

8~9

4.5~5.5

8.5~9.5

溫度（℃）

50~70

50~55

45~65

陰極電流密度

（A/d㎡）

0.1~0.5

0.3~0.6

0.1~0.8

陽極

金、鉑

鉑、鍍鉑鈦網

金板（不溶）

工藝特點

1.均鍍與深鍍能力佳

2.電流效率高（接近100%

3.鍍層硬度低,多孔隙

4.鍍液劇毒

5.主要用于裝飾性鍍金

1.鍍層平滑、致密無孔隙

2.主要用于防腐性鍍金

1.鍍液無毒性（不含氰化物）

2.鍍層光亮致密,與基体結合牢固

3.深鍍和均鍍能力良好

4.電流效率高,接近100%

5.應用于電子、航空、微波等工業

6.5鍍鈀鎳合金

6.5.1PdNi鍍層性質和用途

1.性質

1.1.Pd是銀白色金屬,熔點1555℃,密度12g/cm3。

1.2.Pd耐蝕性比鉑族元素中其它金屬差,易受硝酸浸蝕,色澤較暗,在空氣中易變色。

1.3.PdNi合金（含Ni20%）鍍層,可克服1.2中所述之缺陷,且材料費低于Au。

1.4.Pd80Ni20VS.Au鍍層物化特性

表6-11

Pd80Ni20

Au（含Co0.15~0.25%）

外觀

銀白色

金黃色

密度g/cm3

11.2

16.5

硬度（HV）

500~600

150~180

接觸阻抗mohms

7~10

4~7

耐

蝕

性

HNO3Vapor

Poor

Excellent

SO2

Excellent

Good

NH3

Good

Good

H2S

Good

Good

SaltSpray

Good

Good

可焊性

General

Excellent

耐磨性

Excellent

General

延展性

Good

Excellent

2.用途

2.1主要替代Au鍍層,作為要求高耐磨性之鍍層;

2.2Pd鍍層在連接器之貴金屬電鍍中之應用比例:

圖6-03鈀鎳鍍層逐步發展比例圖

6.5.2鍍PdNi工藝

表6-12

工藝參數

條件

鈀鹽[Pd（NH4）2CL4]

10~25g/L

硫酸鎳（NiSO4·7H2O）

30~50g/L

氨水（NH3·H2O）

80~120ml/L

導電鹽

70~100g/L

混合添加劑

1~3ml/L

PH

7.5~8.5

溫度（℃）

20~50

電流密度（A/dm2）

0.2~1.5

陽極

鉑或石墨

6.6鍍錫（鉛）

6.6.1Sn鍍層性質和用途

1.性質

1.1Sn是銀白色金屬,密度7.28g/m3,,熔點232℃,硬度HV=12.原子量118.96。

1.2Sn具有較高化學穩定性,常溫時在空氣中不發生化學反應,在淡水或海水中很穩定,與硫及硫化物几乎不起作用。

1.3錫有兩種晶体形式:

α-Sn>13.2℃β-Sn

灰錫白錫

（粉未狀）（正常錫）

1.4Sn鍍層存放過程中,會產生針狀單晶“晶須”,可長達2~3mm。

精密電子電路及元器件之鍍錫應特別防止“晶須”產生,以免造成電氣短路。

用1%以上的鉛與Sn共沉積,即可解決此問題。

1.5錫層延展性、可焊性良好。

1.6Sn無毒。

2.用途

2.1作為電子工業中焊接鍍層。

2.2食品罐頭、餐具、炊具之防腐鍍層經。

2.3作為減磨及潤滑性之鍍層。

6.6.2鍍錫工藝

鍍錫工藝可分為酸性鍍錫和鹼性鍍錫工藝。

鹼性鍍錫尚無適宜之光亮劑,故目前以此工藝只能獲得普通錫鍍層,下面重點介紹酸性鍍錫工藝,此二種工藝亦應用于我公司之連接器電鍍。

表6-13

硫酸鹽鍍錫

甲基磺酸鹽鍍錫

工藝參數

硫酸亞錫（SnSO4）:

20~30g/L

硫酸（H2SO4）:

90~120ml/L

TGCStarter:

50~100ml/L

TGCBrightener:

8~15ml/L

溫度（℃）:

8~15℃

陰極電流密度:

0.5~2.5ASD

甲基磺酸錫（CH3SO3）2Sn:

Sn2+40~60g/L

甲基磺酸（CH3SO3H）:

20~30ml/L

BTDAdditive:

30~50ml/L

BTDCarrier:

30~50ml/L

溫度:

20~25℃

陰極電流密度:

5~30ASD

應用范圍

滾鍍五金零件

挂鍍或連續電鍍

6.7電鍍后處理

1、目的:

增強鍍層抗蝕力,或賦予鍍層美麗外觀。

2、后處理方式:

表6-14

處理方式

適用鍍層

特點

后處理液主要成份

皮膜處理

錫

保持錫鍍層光亮

防止鍍層發黃

皮膜劑、促進劑

塗裝

Cu、鋅等鍍層

防止鍍層變色

增加防護層

塗料

著

色

處

理

銅

黑色等各色

NaOH過硫酸鉀

鎳

黑色

（NH4）2SO5Na2SO4

Fe2（SO4）3NH4CNS

鋅

彩虹色

鉻酐、硝酸

銀

古銀色

K2S

錫

黑色

Na3PO4H3PO4

電解法

鎘

棕色

K2Cr2O7HNO3

黑色

鉬酸銨、硼酸

化學拋光

鎳、錫

將鍍層表面顯微粗糙度減小,獲得鏡面光亮效果

采用鉻酸、磷酸、硫酸等混合酸處理

電解鈍化

銅

在銅層表面形成一層致密鈍化膜,提高銅鍍層抗變化能力

重鉻酸鈉、醋酸

化學鈍化

銅、鋅、鎘等

以鉻酸酐為主鈍液,可以在鍍層表面形成光亮表面,可鈍化成白色、淺藍色、軍綠色和黑色等膜層,生成膜可大大提高鍍層抗蝕性能

鉻酸酐、硫酸

漂白處理

鋅鍍層鈍化后處理

鈍化彩色膜經處理可得到光亮、白淨的外觀

鉻酸漂白（銀白色）

NaOH漂白（銀白色）

軍綠色鈍化

鋅鍍層

具有防護耐磨、裝飾等特性

鉻酸、硝酸、磷酸、鹽酸、硫酸（導電、焊接、導磁不能用）

防銀變色

處理

銀

保持銀鍍層光亮

色澤

重鉻酸鉀、硝酸、Ag2O、鉻酸鉀、碳酸鉀、

6.8鍍層質量檢測

6.8.1檢測項目及方法

表6-15

檢測項目

檢測目的

檢測方法

外觀

外觀為塗層質量之首要指標,外觀不合格就無需進行其它項目測試

目視或低倍放大鏡檢驗

鍍層厚度

評定是否符合設計規格

X-RAY螢光繞射法

斷面金相顯微鏡法

化學測試法

結合強度

評定在不同受力情況下鍍層與基材結合強度及鍍層內聚強度

摩擦試驗法

形變試驗法

剝離試驗法

加熱試驗法

陰極試驗法

耐蝕性

評定鍍層耐腐蝕及防護性能

戶外曝晒試驗法

人工加速腐蝕試驗: